قانون

قانون بلانك للإشعاع

Planck's law describes the spectral density of electromagnetic radiation emitted by a black body in thermal equilibrium.
6 مقالات ذات صلة · 6 صيغ · 1 من عمل هنا

الوصف

مع نهاية القرن التاسع عشر، تنبأت الفيزياء الكلاسيكية بأن الجسم المتوهج يجب أن يصدر طاقة غير متناهية عند الأمواج القصيرة — ما عُرف بـ'كارثة فوق البنفسجية'. في عام 1900، اقترح ماكس بلانك، ساعياً للتوفيق مع المعطيات التجريبية، أن الطاقة لا تُشع بشكل متصل، بل بكمات محددة (E = hν). صيغته التي جمعت قانون رايلي-جينس للأمواج الطويلة وقانون فين للأمواج القصيرة انطبقت بدقة على النقاط التجريبية. كان هذا النجاح بداية نظرية الكم.

التاريخ

في عام 1900، عمل ماكس بلانك في برلين على مشكلة طيف الإشعاع الحراري. كان يعرف قانون فين (فيلهلم فين) للأمواج القصيرة وقانون رايلي-جينس الحديث آنذاك للأمواج الطويلة. وجد بلانك استكمالاً تجريبياً، وليبرره نظرياً، افترض تكميم طاقة الهزازات. في 14 ديسمبر 1900، عرض النتيجة على الجمعية الفيزيائية الألمانية — يُعتبر هذا التاريخ بداية عصر الكم. لاحقاً، استخدم ألبرت أينشتاين عام 1905 مفهوم كمات الضوء لتفسير الأثر الكهروضوئي.

كيف يعمل

يُستخدم القانون في البيرومترية لقياس درجات الحرارة العالية دون تماس، وفي الفيزياء الفلكية لتصنيف النجوم ودراسة الخلفية الميكروية الكونية، وفي التصوير الحراري. الصيغة صحيحة تماماً للماص المثالي؛ وللأجسام الحقيقية، يُضرب الطيف بمعامل الإصدار (معامل السواد) المعتمد على المادة وحالة السطح. عند درجات الحرارة الشديدة أو الحقول التثاقلية، تلزم تعميمات نسبوية.

في التطبيق

يحول المصور الحراري الوهج الخفي إلى صورة، ويحدد الفلكيون درجة حرارة النجوم البعيدة وعمر الكون من ضوء الانفجار العظيم البارد.

حقيقة طريفة

ظل بلانك نفسه يعتبر التكميم مجرد حيلة رياضية وراودته الشكوك حول واقع الكمات الفيزيائية، إلى أن أكدها أينشتاين بتفسير الأثر الكهروضوئي.

Concept graph →

صيغ

$$L_{\rm Edd} = \frac{4\pi G M c}{\kappa}$$
Radius where radiation pressure balances gravity defines Eddington limit.
ما في الصيغة
L_{\rm Edd}متغيرEddington luminosity — لمعان watt
MمتغيرMass of the object — كتلة kilogram
cمتغيرSpeed of light — سرعة metre per second
GثابتNewtonian gravitational constant — ثابت الجاذبية = 6.67430e-11 cubic metre per kilogram per second squared
\kappaثابتOpacity of the stellar material — عتامة = 0.034 square metre per kilogram
r_{\rmqs}\simeq\sqrt{\frac{l_{\rmedd}}{4πσt_{\rmeff}^4}} · 2606.02539v1
$$f_\lambda \propto \lambda^\beta$$
Spectral flux density follows a power law in wavelength.
ما في الصيغة
f_λمتغيرspectral flux density per unit wavelength — spectral flux density watt per metre cubed
λمتغيرwavelength — طول الموجة metre
βمتغيرspectral index — مؤشر طيفي
∝مؤثرis proportional to — proportional to
f_{λ,{rest}}=f_{λ,0}(\frac{λ}{1500{\aa}})^{β_{{uv}}} · 2606.03522v1
s_ν\proptoν^α · 2606.22354
\mathcal{p}_\mathcal{r}(k)\proptok^{-5} · 2606.23307
\frac{de_b}{dω}\propto\frac{b_0^2m_0^2}{τ_h^{2/3}}ω^{-8/3} · 2607.16880v1
$$L_{\mathrm{Edd}} = \frac{4\pi G M c}{\kappa}$$
Maximum luminosity where radiation pressure balances gravity.
ما في الصيغة
L_EddمتغيرEddington luminosity — لمعان watt
MمتغيرMass of the object — كتلة kilogram
κمتغيرOpacity of the stellar material — عتامة square metre per kilogram
GثابتConstant of universal gravitation — ثابت الجاذبية = 6.67430e-11 cubic metre per kilogram per second squared
cثابتSpeed of light in vacuum — سرعة الضوء = 299792458 metre per second
πثابتMathematical constant pi — π = 3.14159
m<\frac{\kappa_{es}l_{bol}}{4πgc} · 2606.30711
$$B_\nu(T) = \frac{2h\nu^3}{c^2} \frac{1}{e^{h\nu/k_B T} - 1}$$
Describes spectral radiance of blackbody radiation.
ما في الصيغة
B_νمتغيرSpectral radiance per unit frequency — spectral radiance watt per metre squared per steradian per
νمتغيرFrequency of radiation — تردد hertz
TمتغيرAbsolute temperature of blackbody — درجة الحرارة kelvin
hثابتPlanck constant, relating energy of a photon to its frequency — ثابت بلانك = 6.62607015e-34 joule second
cثابتSpeed of light in vacuum, fundamental constant — سرعة الضوء = 299792458 metre per second
k_BثابتBoltzmann constant, relating temperature to energy — ثابت بولتزمان = 1.380649e-23 joule per kelvin
νi_ν=\frac{2hν^4}{c^2}\frac{1}{\exp(hν/k_bt)-1} · 2607.14276
$$\rho(r) = \begin{cases} \rho_1 & r < r_0 \\ \rho_1 \left(\frac{r_0}{r}\right)^\alpha & r \geq r_0 \end{cases}$$
Density profile with inner constant and outer power law.
ما في الصيغة
\rhoمتغيرmass density — كثافة الكتلة kilogram per cubic metre
rمتغيرradial distance from center — طول metre
\rho_1متغيرconstant inner density — كثافة الكتلة kilogram per cubic metre
r_0متغيرbreak radius — طول metre
\alphaمتغيرpower-law index — بلا أبعاد
ρ(r)=\begin{cases}ρ_0&r<r_0\ρ_0(\frac{r_0}{r})^2&r\geqr_0\end{cases} · 2607.24934v1
$$n(r) \propto r^{-\beta}$$
Density decreases with radius following a power law.
ما في الصيغة
nمتغيرnumber density — number density per metre cubed
rمتغيرradial distance — نصف قطر metre
βمتغيرpower-law index — power law index
∝مؤثرis proportional to — تناسب
n_h\proptor^{-β},\quadβ<2 · 2606.04711v1

مقالات ذات صلة · 18

ألف ثانية من الصرخة: كيف اخترق المستعر الأعظم ريحًا كثيفة
في 26 مارس 2026، رصد المرصد الصيني الأوروبي أينشتاين بروب (Einstein Probe) توهجًا بالأشعة السينية استمر لأكثر بقليل من ربع ساعة. ألف ثانية. سجل التلسكوب WXT على متنه ارتفاعًا حادًا في الإشعاع، ثم انخفاضًا تدريجيًا — كما لو أن شخصًا صرخ في صمت، ثم تلاشى الصدى ببطء. أطلق الفيزيائيون الفلكيون على الحدث اسم EP260321a. هذه الصرخة كانت لنجمة.
فرخ في قشرة غبارية: كيف يخرج الكوازار الأحمر (quasar) إلى النور
في الحقل العميق لـ جيمس ويب، بين آلاف المجرات، تأمل علماء الفلك المصدر JADES-GS 209777 — ورأوا فرخًا كونيًا. 'قشرته' هي غلاف سميك من الغاز والغبار الكوني (cosmic dust) الذي طالما أخفى الثقب الأسود المتنامي في المركز. ولكن على انزياح أحمر (redshift) قدره 3,711 (بعد 1,8 مليار سنة من الانفجار العظيم) تشققت القشرة.
البصمة المعدنية للنجم HD 15407A
في عام 2008، وجه تلسكوب سبيتزر نظره نحو النجم HD 15407A وسجل فائضًا قويًا في الأشعة تحت الحمراء. بعد 15 سنة، في عام 2023، كرر جيمس ويب القياسات. خف ضوء الغبار بنسبة 14%. لكن التركيب المعدني للغبار بقي كما هو — كبصمة إصبع مأخوذة في سنوات مختلفة. هذه البصمة لا تُمحى حتى عندما يخفت القرص ببطء.
سيمفونية التخليق النووي: كيف أنقذ إيقاع مفاجئ الديوتيريوم
بعد ثلاث دقائق من الانفجار العظيم، عزف الكون سمفونيته الأولى. كان ذلك الانفجار العظيم والتخليق النووي — تكوّن الأنوية الخفيفة، حيث كان كل عنصر يعزف نغمته الخاصة، وكان الإيقاع تحدده سرعة توسع الفضاء. الإيقاع القياسي الذي تنبأت به معادلات فريدمان كان يُبعد البروتونات والنيوترونات عن بعضها، ويمنعها من التكتل بسرعة كبيرة.
قداس النجم الممزق: الفائض تحت الأحمر وولادة الإكليل
عندما يقترب نجم كثيرًا من ثقب أسود فائق الكتلة، يتردد قداس كوني — حدث التمزق المدّي. وبفضل القياس الضوئي و التحليل الطيفي، يميز الفلكيون كل آلة في هذه الأوركسترا. في الحدث 2024aepd، تكون الافتتاحية هي التوهج فوق البنفسجي لـ قرص التراكم، وبعد بضعة أسابيع تنضم أصوات أخرى.
همهمة البوزون في الإسمنت: تيراهرتز تستمع إلى اللاتجانسات النانوية
أكثر مواد البناء انتشاراً على الكوكب — الخرسانة — تخفي أسرارها الرئيسية على المقاييس النانومترية. إن متانتها وميلها إلى التدفق البطيء تحت الحمل يحددهما هلام هيدرات سيليكات الكالسيوم (C-S-H) المجهري، الذي تكون بنيته فوضوية، وكأنها دوامة متجمدة من الذرات.
كشاف موجَّه بعيدًا عنا: لغز العابر AT 2019ijn
الكون مليء بالصرخات التي لا نسمعها. في كل مرة يمزق فيها ثقب أسود نجمًا، يولد توهج مبهر، وغالبًا – نفاثة نسبوية ضيقة تمتد عبر آلاف السنين الضوئية. لكن إذا كان هذا الكشاف موجّهًا بعيدًا عن الأرض، فإننا لا نرى إلا انعكاسًا باهتًا – صدى راديويًا يصل متأخرًا.
الوصفة الكونية: كوكب تحت-زحلي يدور حول نجم بارد يكشف عن طريقة واحدة لتشكيل العمالقة
على بعد 158 سنة ضوئية منا، حول نجم خافت قزم أحمر يدعى TOI-6894، يدور كوكب ببطء. ويكمل دورة كاملة حول نجمه في أقل من يومين أرضيين، لكنه عالم بارد نسبياً، درجة حرارته التوازنية نحو 420 كلفن، أي أدفأ قليلاً من حمام البخار. هذا العملاق الكوكب الخارجي TOI-6894 b، يطابق حجم زحل تقريباً، وإن كان أخف وزناً بشكل ملحوظ.
ثقوب سوداء صامتة: لماذا تخمد الهندسةُ الإشعاعَ من دون أينشتاين
إذا صُغِّر ثقب أسود عادي إلى حجم حبة رمل، فإنه يتوهج كنجم صغير ويختفي سريعًا في وميض. هذا تنبؤ ستيفن هوكينغ: يعمل أفق الحدث كسطح ساخن يبعث جسيمات. كلما كان الثقب أصغر، ارتفعت حرارته، والعكس صحيح — فالثقوب السوداء العملاقة في مراكز المجرات أبرد من الخلفية الكونية الميكروية.
معادلة غراد-شافرانوف: هندسة عالمية للمجالات المغناطيسية في البلازما
المجال المغناطيسي في البلازما يشبه غشاء الصابون المشدود: الضغط الداخلي يسعى إلى توسيعه، بينما التوتر السطحي يسعى إلى شده، مما يمنحه شكلاً مستقراً. في البلازما، تلعب القوى المغناطيسية هذا الدور: الضغط المغناطيسي والتوتر المغناطيسي يوازن أحدهما الآخر، مما يخلق توازناً هشاً.
خلاط كوني: كيف تتفوق الإلكترونات على البروتونات
قرب الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، تغلي البلازما مثل الماء في غلاية. لكن في هذه «الغلاية» لا توجد جدران، فقط مجالات مغناطيسية تلتف وتتمزق. في أماكن التمزق تنشأ طبقات رقيقة حيث يعيد المجال المغناطيسي توصيل نفسه، وتحصل الجسيمات على دفعة، مثل راكب أمواج على موجة.
الإلكترونات تكشف لحظة ولادتها
عندما يقتلع الضوء إلكترونًا من ذرة، يطير بعيدًا ككرة قُذفت وسط حشد. لطالما أراد العلماء معرفة اللحظة الدقيقة التي يغادر فيها كل إلكترون الذرة، لكن القياس المباشر كان يعطل العملية نفسها. الآن، اقترح الفيزيائيون طريقة تستخدم ومضة ضوئية ثانية لـ«التقاط صورة» للحظة ولادة الإلكترون. تشبه الطريقة تداخل موجتين على سطح الماء: موجة من الإلكترون الأول، وأخرى من إلكترون ثانٍ ناتج عن الومضة القصيرة.
الموجات الثقالية مفتاحٌ لفهم الجاذبية الكمومية
تتصرف الثقوب السوداء البدائية الثقوب السوداء مثل أباريق الغليان: فهي أثناء تبخرها تُصدر «صفيرًا» — موجات ثقالية، تموجات في نسيج الزمكان نفسه. طبيعة هذا الصفير، أي طيفه (توزيع الطاقة عبر الترددات)، تتحدد بكيفية اعتماد درجة حرارة الثقب على كتلته.
شيطان ماكسويل يفضل الفوتونات غير القابلة للتمييز
في القرن التاسع عشر، تخيل جيمس كليرك ماكسويل شيطانًا صغيرًا. يعرف هذا الشيطان سرعة كل جزيء من الغاز ويفتح بابًا: السريعة إلى اليسار، والبطيئة إلى اليمين. هكذا، وبدون استهلاك طاقة، ينشأ فرق في درجات الحرارة، مما يبدو مخالفًا لقوانين الفيزياء. لكن الحل يكمن في المعلومات: فلكي يتذكر الشيطان السرعات ويتخذ القرار، يحتاج إلى ذاكرة.
الحرارة في الاتجاه المعاكس: عندما يتجمد الساخن بالبارد
الماء دائمًا يتدفق إلى الأسفل، والحرارة من الساخن إلى البارد. هكذا تأمر الإنتروبيا. لكن العالم الكمومي يجد ثغرات. جعل الفيزيائيون جسيمات الضوء تتفاعل مع وسط ساخن وآخر بارد بتسلسل غير محدد — مثل قطعة نقد ملقاة لم تستقر بعد.
سماع ارتجاف الفضاء: تجربة المرآة النانوية
نظريتان عظيمتان تصفان الواقع: إحداهما تصف كيف تسبب الأجسام الضخمة انحناء الزمكان، والأخرى – النموذج المعياري – تحكم الجسيمات الأولية. لم يتم التوفيق بينهما بعد، وكأننا نحاول وصف عاصفة محيطية بلغة شبكة الماس. ربما يكمن الحل في مقياس بلانك، حيث يبدو الفضاء كرغوة تغلي. لقد صنع المجربون كاشفًا على شكل شوكة رنانة.
الضجيج الحراري للفراغ: كيف نلتقط إشعاع أونروه في شعاع ليزري
في عام 1976، طرح الفيزيائي الكندي بيل أونروه سؤالًا بسيطًا: ماذا يرى المراقب الذي يتسارع في الفراغ؟ وكان الجواب غريبًا: الفراغ يتوقف عن كونه فارغًا. المراقب المتسارع ينغمس في إشعاع حراري بدرجة حرارة تتناسب مع التسارع. لتسارع مقداره $$10^{20}$$ g، أي أكبر بمليارات المرات من تسارع الجاذبية الأرضية، تبلغ هذه الدرجة حوالي 4000 كلفن، مثل سطح نجم أحمر. لكنها تولد من فراغ خالص.